本发明专利技术涉及一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。本发明专利技术所提出的装置可更为真实的模拟隧道或坑道等地下工程的复杂环境，为含水构造电阻率法超前探测三维模拟提供了科学的模拟试验平台。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种隧道或者坑道等地下工程中网格剖分动水含水构造电阻率超前预报三维模拟装置与方法，具体的说是一种涉及地下工程网格剖分含水构造电阻率法超前预报的物理模拟装置和方法，并且是一种模拟地下工程。
技术介绍
隧道等地下工程施工期的含导水地质构造超前探测和三维定位一直以来都是超前预报领域备受关注的难题，电阻率法从水体和含水构造的物理特性差异出发，以电阻率差异等为物理基础，对含导水地质构造的超前探测具有独特的优势。由于隧道或坑道是三维全空间，且探测环境较为复杂，外部干扰较为强烈，利用理论解析和数值模拟的方法，难以真实的模拟隧道超前探测的实际情况，导致目前对隧道或坑道中电阻率法超前探测方法的模拟研究还不深入。而物理模拟可以更为真实的反映隧道的实际环境，被视为一种行之有效的电阻率法超前探测模拟方法。在地面探测领域，水槽或土槽被用来进行电阻率探测的物理模拟，这种物理模拟装置是针对三维半空间条件的，与隧道或坑道的三维全空间条件具有本质的区别。而在隧道或坑道等地下工程的电阻率超前探测物理模拟中，李术才、刘斌、程久龙、施龙青、强建科、阮百尧等开展过相关的工作，为本专利技术提供了重要的借鉴和参考李术才，刘斌，李树忱，张庆松.等.基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究.岩石力学与工程学报，2011，7 (15).刘斌，李术才，李树忱，钟世航.隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究.岩土力学，2009，10(10) ·程久龙，李文，王玉和.工作面内隐伏含水体电法探测的实验研究.煤炭学报，2008，I (15).施龙青，翟培合，魏久传，朱鲁.三维高密度电法技术在岩层富水性探测中的应用·山东科技大学学报(自然科学版)，2008，12 (15).强建科，阮百尧，周俊杰.三维坑道直流聚焦法超前探测的电极组合研究.地球物理学报，2010，3 (15).阮百尧，邓小康，刘海飞，周丽等.坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究.地球物理学报，2009，I (15)。结合隧道电阻率法超前探测的实际情况，对已经开展的地下工程的电阻率超前探测物理模拟工作中进行分析，发现在地下工程电阻率法超前探测的物理模拟方面存在以下问题和挑战(I)以往模拟中含水构造的结构和形状较为简单，不能模拟形状较为复杂的含水构造，与隧道实际情况不符；(2)以往模拟中含水构造中的水体是静储量形式，没有实现水的流动，不能模拟动水对电场的影响；(3)以往模拟中，模型的边界是高电阻率边界，没有解决无穷远边界的模拟问题，边界对超前探测结果的干扰很大；(4)以往模型架结构是固定不变的，无法实现模型尺寸的扩展和灵活设置。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种，该装置包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造和动水循环模拟装置，实现了模型尺寸的灵活设置，利用提出的边界接地网络可较好的降低高电阻率边界对探测数据的干扰，利用网格剖分和自由组合的方法来模型复杂形状的含水构造，利用动水循环系统为含水构造中的水流动提供动力，同时设计了电极扫描阵列，可用于多种形式的探测装置形式，兼容性和适用性大大提高。本专利技术所提出的装置可更为真实的模拟隧道或坑道等地下工程的复杂环境，为含水构造电阻率法超前探测三维模拟提供了科学的模拟试验平台。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。所述可扩展式三维模型架结构采用槽钢和型钢作为框架，利用标准尺寸钢板拼装而成，型钢与槽钢之间通过角钢连接，槽钢之间通过拉杆连接，在可扩展式三维模型架结构一侧设置有半圆形缺口与预制隧道腔体相连接，整个可扩展式三维模型架结构表层均涂刷绝缘漆；相邻槽钢之间与边界接地网络引线连接。所述边界接地网络采用边界接地导线的方式，设置在可扩展式三维模型架结构的高电阻率边界上，并分层引出导线，分层引出的导线分组接地；每层边界接地导线均布在两段可扩展式槽钢间。所述预制隧道腔体模型由带有沟槽的多段矩形预制隧道腔体PVC板和多段拱形预制隧道腔体PVC板组成；在矩形预制隧道腔体PVC板的边墙、底板和掌子面上预留有电极扫描阵列布置孔；所述电极扫描阵列由铜电极和不极化电极以阵列的方式布置在电极扫描阵列布置孔上并与主机连接，电极扫描阵列布置采用二极法、三极法、四极法或层析成像。所述网格剖分含水构造位于可扩展式三维模型架结构前方，是一个被若干尺寸相同、等间距排列的网格剖分的木制结构，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六个边界均有相应尺寸的渗透性良好的木板做成，内部设置小尺寸的透水性良好的木质隔板，形成剖分网格，每个网格的尺寸相同；在每组相邻网格之间的交界面上设置电动刀式阀门，通过通讯控制网络与外部控制主机连接，控制阀门的“连通”和“关闭”状态；通过将含水构造内相邻网格的电动刀式阀门设置为“连通”状态，使得含水构造内的网格形成通路，而与含水构造之外的网格隔离。所述动水循环模拟装置包括动水循环进水模拟装置与动水循环出水模拟装置，两部分均由主机控制并分别通过各自的管路与网格剖分含水构造连接；其中，动水循环进水模拟装置包括吹气加压装置、加压水箱与动水循环进水流量控制装置，通过吹气加压装置控制进水，并通过主机控制的动水循环进水流量控制装置控制进水流量；动水循环出水模拟装置包括回水水箱与动水循环出流量控制装置，通过主机控制动水循环出流量控制装置进行出水控制；加压水箱与回水水箱共用一个水箱体，中间由可开闭的隔板隔开，隔板的开闭由主机控制。所述动水循环进水模拟装置的吹气加压装置包括调压气源，它通过管路与加压水箱连接，在管路上设有吹气阀，所述动水循环进水流量控制装置包括设置在加压水箱与网格剖分含水构造连接管路上的两通电磁阀、止回阀、调压阀以及流量计I，两通电磁阀、流量计与主机连接；所述动水循环出水模拟装置的动水循环出流量控制装置包括设置在回水箱与网格剖分含水构造连接管路上的水泵、流量计II，两者均与主机连接。一种是用网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置的方法，A.按照实验方案，现场组装网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置；B.在可扩展式三维模型架结构中按照现场情况，分层填入粘土，通过控制粘土含水率来控制各层的电阻率等参数，并通过压实强度控制孔隙率参数，由以上两点对现场隧道及坑道施工环境进行真实模拟；C.待可扩展式三维模型架结构中填入的粘土到达预制隧道腔体高度后，放入预制隧道腔体，并布置电极扫描阵列，在预制隧道腔体底板上按照工作方式埋入铜电极和不极化电极，并用导线将电极扫描阵列引出，然后继续填粘土到预制隧道腔体上方的各层，直至填土面与可扩展式三维模型架结构顶部齐平；D.实验时，首先通过主机控制电动刀式阀门的开闭情况，并依照现场实地情况，在网格剖分含水构造中模拟出所需要的水体形状；本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。
【技术特征摘要】
1.一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。2.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述可扩展式三维模型架结构采用槽钢和型钢作为框架，利用标准尺寸钢板拼装而成，型钢与槽钢之间通过角钢连接，槽钢之间通过拉杆连接，在可扩展式三维模型架结构一侧设置有半圆形缺口与预制隧道腔体相连接，整个可扩展式三维模型架结构表层均涂刷绝缘漆；相邻槽钢之间与边界接地网络引线连接。3.如权利要求1或2所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述边界接地网络采用边界接地导线的方式，设置在可扩展式三维模型架结构的高电阻率边界上，并分层引出导线，分层引出的导线分组接地；每层边界接地导线均布在两段可扩展式槽钢间。4.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述预制隧道腔体模型由带有沟槽的多段矩形预制隧道腔体PVC板和多段拱形预制隧道腔体PVC 板组成；在矩形预制隧道腔体PVC板的边墙、底板和掌子面上预留有电极扫描阵列布置孔； 所述电极扫描阵列由铜电极和不极化电极以阵列的方式布置在电极扫描阵列布置孔上并与主机连接，电极扫描阵列布置采用二极法、三极法、四极法或层析成像。5.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述网格剖分含水构造位于可扩展式三维模型架结构前方，是一个被若干尺寸相同、等间距排列的网格剖分的木制结构，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六个边界均有相应尺寸的渗透性良好的木板做成，内部设置小尺寸的透水性良好的木质隔板，形成剖分网格，每个网格的尺寸相同；在每组相邻网格之间的交界面上设置电动刀式阀门，通过通讯控制网络与外部控制主机连接，控制阀门的“连通”和“关闭”状态；通过将含水构造内相邻网格的电动刀式阀门设置为“连通”状态，使得含水构造内的网格形成通路，而与含水构造之...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂利超，李术才，刘斌，周浩，宋杰，刘征宇，孙怀凤，王传武，许新骥，徐磊，郝亭宇，牛健，张孝健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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